基于氣槍陣列的海洋地震勘探研究

曾軍財(cái)

（宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北宜昌 443003）

基于氣槍陣列的海洋地震勘探研究

曾軍財(cái)

（宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北宜昌 443003）

簡(jiǎn)要介紹了海洋地震勘探基本原理，提出了氣槍陣列組合的兩種設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了詳細(xì)描述。然后針對(duì)影響氣槍陣列激發(fā)效果的多個(gè)因素進(jìn)行了具體闡述，為氣槍陣列的具體設(shè)計(jì)提供了參考；最后對(duì)氣槍陣列的懸掛方式進(jìn)行了分析說(shuō)明。

氣槍陣列；懸掛方式；海洋地震

1 概述

海洋地震勘探是由專用船只拖著海上拖纜來(lái)完成的。在船只經(jīng)過(guò)目標(biāo)區(qū)域時(shí)放炮，由拖纜或儀器記錄信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的拖纜是3 000～8 000 m長(zhǎng)，在常規(guī)采集中，它要攜帶幾百個(gè)檢波器組。震源產(chǎn)生地震波，震波向下傳播，進(jìn)入地下，并在巖石之間的界面上產(chǎn)生反射，反射波回到水體介質(zhì)，被水下檢波器接受，并把反射波到達(dá)的時(shí)間和反射距離記錄在磁帶記錄儀，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理和地質(zhì)人員的分析，就可獲知海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)。一般的地震船和水下檢波器電纜的組合形式示意圖如圖1所示。

圖1 地震船和水下檢波器電纜的組合形式示意圖

2 氣槍陣列

目前海洋地震勘探中，為了獲得較好的氣槍子波特性，提高震源能量，基本都采用氣槍陣列組合。依據(jù)不同容積的氣槍其氣泡周期存在差別的特性，把確定容積的氣槍按照設(shè)計(jì)好的位置進(jìn)行布置，實(shí)現(xiàn)各槍輸出的主脈沖疊加，氣泡脈沖互相抑制，從而實(shí)現(xiàn)提高能量及氣槍子波品質(zhì)，減少氣泡振蕩的目的，組合后輸出子波及頻譜特性良好的組合為組合槍。而目前海洋勘探經(jīng)常采用相干組合與調(diào)諧組合[1]。目前對(duì)氣槍陣列的設(shè)計(jì)，主要有以下兩種。

一是依據(jù)已經(jīng)成熟的氣槍陣列組合理論公式，進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程設(shè)計(jì)，形成專用的氣槍陣列的計(jì)算機(jī)軟件，并在計(jì)算機(jī)中設(shè)置好氣槍陣列中各把槍的容量，并模擬出氣槍陣列的子波。然后，對(duì)理論設(shè)計(jì)好的氣槍陣列進(jìn)行海上拖曳放炮試驗(yàn)，將實(shí)際測(cè)出的氣槍陣列的子波與計(jì)算機(jī)軟件模擬的子波進(jìn)行對(duì)比，如果兩者相似，則說(shuō)明重新設(shè)計(jì)的氣槍陣列是可用的，否則要重新調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)[2]。

二是采用類比法。類比法是在已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)確定可用的氣槍陣列進(jìn)行部分調(diào)整。比如：已知一個(gè)氣槍陣列為：2×（200+150+120+ 100+80+60），其總?cè)萘繛?.023 m3共12把槍，如圖2所示。則可運(yùn)用類比法設(shè)計(jì)成以下一個(gè)新的陣列：2×（2×100+2×75+120+2×50+2×40+60），該陣列共20把槍，此次氣槍陣列的調(diào)整，從總?cè)萘可蟻?lái)看未發(fā)生變化，但其采用了8組相干槍取代了原有的6個(gè)大容量槍，從而使主脈沖和氣泡比都有了顯著提高，有利于數(shù)據(jù)分析。

圖2 氣槍陣列排列圖

3 影響氣槍陣列激發(fā)效果的因素

（1）氣槍同步的影響

國(guó)際上通用的氣槍同步標(biāo)準(zhǔn)是：在常規(guī)地震勘探時(shí)，氣槍的同步誤差的絕對(duì)值小于或等于1 ms，在進(jìn)行高分辨勘探時(shí)，同步誤差的指標(biāo)為±0.3～±0.5 ms，無(wú)論是常規(guī)勘探還是高分辨勘探，小于同步誤差的泡數(shù)都不能低于95%。如果氣槍不同步，會(huì)嚴(yán)重影響氣槍的子波和頻譜，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)氣槍陣列時(shí)，是在考慮氣槍同步的條件下使各槍主脈沖恰好疊加，而氣泡脈沖相互抵消。嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生廢泡[3]。

（2）氣泡半徑

在氣槍陣列中，各組氣槍產(chǎn)生的氣泡脈沖會(huì)相互作用，這將導(dǎo)致氣泡脈沖振幅得到一定的衰減，所以有必要使其降低至一個(gè)可以忽略的量級(jí)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得出各組氣槍之間的距離，必須大于等于10倍氣泡平衡半徑才能滿足要求。

（3）供氣壓力

氣槍結(jié)構(gòu)尺寸一定，受力情況的分配一定，氣槍的穩(wěn)定工作就有一個(gè)壓力范圍。隨著壓力降低，氣槍則容易失穩(wěn)。而且隨著供氣壓力的變化，需要調(diào)節(jié)氣槍主控電磁閥的導(dǎo)通氣流時(shí)間，以獲得合適的激發(fā)氣槍的送氣量(或壓力)，使氣槍穩(wěn)定工作。氣槍壓力升高后，頻譜中低頻輸出增加，峰-峰值升高，氣泡比增加。故壓力升高后，氣槍子波品質(zhì)變好，穿透力增加。

（4）主控電磁閥的選配

不同型號(hào)的電磁閥，對(duì)氣槍的控制效果不同。因?yàn)榧ぐl(fā)氣槍的氣動(dòng)力隨電磁閥的不同而不同，致使氣槍工作的穩(wěn)定性和氣槍耗氣量，都有一定的影響。氣槍如用的二位二通電磁閥，其激發(fā)氣槍時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)氣槍工作穩(wěn)定情況很大。如果進(jìn)一步合理選用二位三通或二位四通電磁閥，對(duì)改善氣槍性能是有好處的。

（5）氣槍陣列耗氣系數(shù)

氣槍陣列耗氣系數(shù)：氣槍陣列實(shí)際用氣量與氣槍陣列公稱用氣量之比值。從單把氣槍(bolt型氣槍)的結(jié)構(gòu)形式看出，儲(chǔ)氣室和上氣室是通過(guò)活塞桿中心孔相通的，而在整個(gè)工作過(guò)程中，又是始終與氣源相通。這種氣槍的這一特點(diǎn)，致使氣槍在高壓下工作耗氣系數(shù)明顯增加，低壓時(shí)則小。此種現(xiàn)象，已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)。而且試驗(yàn)中還可看到，當(dāng)氣壓很低時(shí)，由于氣槍儲(chǔ)氣室的氣體釋放不徹底，而造成氣槍耗氣系數(shù)小于1，此時(shí)氣槍能量沒(méi)有完全釋放，被視為是一種特殊情況。同樣從單把氣槍結(jié)構(gòu)可看出，當(dāng)氣槍排氣口從打開到關(guān)閉的整個(gè)時(shí)間里氣槍所有氣室連同氣源都是與外界暢通的，因此，氣槍陣列的耗氣系數(shù)對(duì)氣槍陣列的激發(fā)效果有較大的影響。

（6）氣槍容量

是描述氣槍大小，能量強(qiáng)弱的指標(biāo)，而針對(duì)氣槍陣列，氣槍容量是指所有氣槍容量的總和；

（7）延遲時(shí)間

是指從電磁閥開啟到高壓氣體釋放到水中的時(shí)間間隔；

影響氣槍陣列激發(fā)效果的因素還有氣槍陣沉放深度、控制器及充氣時(shí)間等，這里不再詳細(xì)敘述。

4 氣槍陣列的懸掛方式

氣槍陣列在水中的布置方式主要有兩種：一種是船尾后拖式，另一種是船體兩側(cè)側(cè)吊式。船尾后拖式如圖1所示。這種方式主要是將氣槍陣列安裝在拖纜上，并要保證拖纜在水下一定深度，以達(dá)到最佳的勘探效果。船體兩側(cè)側(cè)吊式如圖3所示[4]。

圖3 氣槍陣列船體兩側(cè)側(cè)吊式示意圖

當(dāng)氣槍陣列在靠近岸邊淺水區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，以如圖3所示的方式進(jìn)行試驗(yàn)較合適；其中船體兩側(cè)氣槍陣列的距離L、船體同側(cè)兩氣槍陣列的距離H及氣槍陣列中兩槍之間的間距d都需要在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行理論計(jì)算，以得出最佳的取值。然后在試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證及修改。

5 氣槍陣列在海洋地震勘探中的應(yīng)用

氣槍陣列是目前海上地震勘探中應(yīng)用最廣泛的海上震源。氣槍陣列具有綠色環(huán)保、高精度、可重復(fù)、經(jīng)濟(jì)適用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、同步性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，其已占海上震源的95%以上。目前在國(guó)內(nèi)，氣槍陣列的運(yùn)用主要是在石油勘探上，如果水深大于3 m，一般選用氣槍作為勘探震源。石油勘探要求氣槍激發(fā)高頻率的氣槍信號(hào)，高分辨率探測(cè)淺部海洋地殼的結(jié)構(gòu)。倘若進(jìn)行遠(yuǎn)距離的探測(cè)深部地殼甚至是上地幔的結(jié)構(gòu)，則根據(jù)高頻信號(hào)的易衰減性的理論，若想在遠(yuǎn)距離處，接收到氣槍信號(hào)，并進(jìn)行深部探測(cè)，就必須讓氣槍激發(fā)出低頻信號(hào)。同時(shí)，因?yàn)榇怪贝┩干?，水平傳播距離遠(yuǎn)，必須要求氣槍激發(fā)的信號(hào)能量足夠大，所以，要求得到能激發(fā)低頻高能的氣槍陣列，作為海洋地震勘探的手段和方法，而大容量的氣槍陣列能夠滿足要求，這也是氣槍陣列的一個(gè)發(fā)展方向[5]。

6 結(jié)論

以氣槍陣列作為海洋地震勘探的人工震源，主動(dòng)探測(cè)深部地下結(jié)構(gòu)，能獲得海量的數(shù)據(jù)，來(lái)解決天然地震的有限而使研究區(qū)域的數(shù)據(jù)覆蓋不夠等問(wèn)題。本文針對(duì)氣槍陣列的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)影響氣槍陣列激發(fā)效果的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)提出了兩種氣槍陣列的懸掛方式，對(duì)基于氣槍陣列的海洋地震勘探研究提供了參考。

［1］趙秀鵬.海洋氣槍震源組合及子波模擬［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2004，11（4）：36-38.

［2］狄?guī)妥專撇┪?，陳浩林，?氣槍震源的理論子波研究.石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，27（5）：32-35.

［3］大港油田科技叢書編委會(huì).地震勘探資料采集技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［4］於國(guó)平，姜海.將淺水鉆井船改造成淺水小型氣槍震源船［J］.物探裝備，2005，15（3）：153-155.

［5］羅桂純，王寶善，葛洪魁，等.氣槍震源在地球深部結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2006，21（2）：400-407.

Research on Ocean Seismic Prospecting Based on the Air Gun Array

ZENG Jun-cai
（Yichang Testing Technique Research Institute，Yichang 443003，China）

The paper simply explained the work principles of Ocean Seismic Prospecting，advanced two design methods about air gun array,and particular description of the ways.Then emphases expatiate some influence factors of the fire effect for air gun array,it can provide reference for the design of air gun array and explain the hanging ways of the air gun array.

air gun array；hanging ways；ocean seismic

P715

A

1009－9492(2014)03－0030－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.009

曾軍財(cái)，男，1980年生，江西贛州人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)及地質(zhì)勘探。

(編輯：阮 毅)

2013－09－03